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Drought-influenced greenhouse gas fluxes and their emission pathways of the subsaline reed ecosystem of Lake Neusiedl
Pamela Alessandra Baur
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doktoratsstudium Naturwissenschaften: Environmental Sciences
Betreuer*in
Stephan Glatzel
DOI
10.25365/thesis.79043
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-20883.41534.884581-9
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Feuchtgebiete sind häufig dynamische Ökosysteme, die verschiedene Ökosystemleistungen wie Biodiversität, Reinigung, Lebensgrundlage sowie Kohlenstoff- und Wasserspeicherung bieten. Von Schilfpflanzen (Phragmites australis) dominierte Feuchtgebiete können durch photosynthetische Assimilation von Kohlenstoffdioxid (CO2) und Fixierung organischer Substanzen im Sediment Kohlenstoff speichern. Aus diesem Grund werden sie oft als starke CO2-Senken bezeichnet. Allerdings setzen diese Feuchtgebiete auch auf natürliche Weise Methan (CH4) frei, das in wassergesättigten Sedimenten gebildet wird. Im Zusammenhang mit dem Klimawandel erhöhen häufigere oder schwerere Trockenperioden die Wahrscheinlichkeit, dass Feuchtgebiete als CO2-Quellen fungieren. Über den Beitrag mitteleuropäischer Schilfökosysteme als Quelle von Treibhausgasen infolge von Trockenheit ist nur wenig bekannt. Das Hauptziel dieser Dissertation ist es, unser Verständnis über den Einfluss von Trockenheit auf die räumliche und zeitliche Dynamik Schilf-dominierter Feuchtgebiete zu erweitern, insbesondere im Hinblick auf Treibhausgasflüsse, Emissionspfade, mikrobielle Gemeinschaften im Sediment und die Landbedeckung. Die Studien wurden in einem Feuchtgebiet von internationaler Bedeutung durchgeführt: dem Schilfgürtel des Neusiedler Sees an der österreichisch-ungarischen Grenze. Dieser zeichnet sich durch außergewöhnliche Eigenschaften wie Subsalinität und einen hohen Sulfatgehalt aus. Um unser Verständnis von subsalinen Schilfökosystemen, ihren Prozessen und Wechselwirkungen zu vertiefen, wurde eine Kombination verschiedener Methoden angewendet. Dazu gehörten Techniken zur Messung von Treibhausgasen wie Eddy-Kovarianz, Hauben oder Gasblasenfallen, die Messung stabiler Kohlenstoffisotope, Laboranalysen der Wasser- und Sedimenteigenschaften, die Fernerkundung mittels Drohnen- und Satellitenbilder sowie Bild- und Datenanalysen einschließlich Deep Learning und Vegetationsindizes. Seit Mitte 2015 herrscht im Einzugsgebiet des Neusiedler Sees Trockenheit, was zu überwiegend negativen SPEI-Werten (standardized precipitation evapotranspiration index) und zu sinkenden Wasserständen geführt hat. Unter diesen Bedingungen wurde der Austausch von Treibhausgasen zwischen dem Schilfökosystem und der Atmosphäre über einen Zeitraum von 4.5 Jahren (Mitte 2018 bis Ende 2022) kontinuierlich mit einem Eddy-Kovarianz Messturm gemessen. Von 2019 bis 2022 sanken die jährlichen CH4-Emissionen um 76% von 9.2 auf 2.2 g CH4-C m-2 a-1. Anfangs sanken die jährlichen CO2-Emissionen aufgrund des Schilfwachstums von 2019 bis 2021 zunächst um 85% von 181 auf 27 g CO2-C m-2 a-1. Im Jahr 2022 stiegen sie jedoch auf das Doppelte des Wertes von 2019 (391 g CO2-C m-2 a-1). Dies war das Ergebnis eines starken Rückgangs des Sedimentwassergehalts von etwa 65 auf 32 Vol-% Mitte 2022, was darauf hindeutet, dass der Sedimentwassergehalt ein guter Indikator für das Ausmaß der CO2-Emissionen von Feuchtgebieten ist. Insgesamt stellt diese Studie die Annahme infrage, dass alle von Schilf-dominierten Feuchtgebiete CO2-Senken sind. Eine weitere Studie dieser Dissertation untersuchte die innerjährliche Dynamik des Landbedeckungsmosaiks aus Schilf-, Wasser- und Sedimentflächen innerhalb des Schilfökosystems und dessen Phänologie im Jahresverlauf. Die Ergebnisse zeigen, dass die Schilfflächen innerhalb des Schilfökosystems im Jahr 2021 von Mai bis November um 10% und die offenen Sedimentflächen um 27% zunahmen, während die Wasserflächen um 23% abnahmen. Die Schilffläche ist mit einem Anteil von 61–71% stets der dominierende Teil. Insbesondere bei flachen Seen wie dem Neusiedler See wird häufig angenommen, dass die Ebullition der dominierende CH4-Emissionspfad ist, obwohl dieser Emissionspfad schwierig zu untersuchen ist und daher oft nicht gemessen wird. Im Rahmen dieser Arbeit wurde daher untersucht, ob die Ebullition oder die Diffusion als CH4-Emissionspfad in drei Subsystemen des Neusiedler See-Ökosystems wichtiger ist: im Schilfgürtel, im Kanal und im Freiwasser/See. Die Ergebnisse zeigen, dass die Ebullition innerhalb des Schilfgürtels kumuliert 48% der Summe der beiden CH4-Emissionspfade ausmachte, während sie an den beiden anderen Subsystemen nur für etwa 1% verantwortlich war. Mit 17 ± 28 mg CH4 m-2 d-1 wies das Subsystem innerhalb des Schilfgürtels 340-mal höhere mittlere CH4-Ebullitionsraten als die beiden anderen Subsysteme auf. In dem untersuchten, von Schilf dominierten Feuchtgebiet wurden alle erfassbaren Emissionspfade von CH4 aus dem Ökosystem in die Atmosphäre mittels Hauben- und Gasblasenmessungen einzeln untersucht. Dabei wurde insbesondere der Beitrag und die Isotopensignatur der Ebullition, aber auch der Beitrag des Gastransports durch die Schilfpflanzen sowie der Diffusionspfade an den Wasser–Luft- und Sediment–Luft-Grenzflächen in jeder Jahreszeit über einen Zeitraum von einem Jahr untersucht. Darüber hinaus wurde analysiert, ob die CH4-Emissionen im Schilfökosystem einen Tagesgang (24 Stunden) in Abhängigkeit von der Jahreszeit und dem Emissionspfad aufweisen. Zur Vertiefung des Systemverständnisses wurden die physikalisch-chemischen Eigenschaften sowie die mikrobiellen Gemeinschaften — darunter Methanogene, Methanotrophe und Sulfatreduzierer — in den Sedimenten analysiert und die Veränderungen durch Austrocknung innerhalb eines Jahres untersucht. Der Gastransport durch die Schilfpflanzen wies in allen Jahreszeiten die höchsten mittleren CH4-Emissionsraten auf, und zwar nicht nur im Sommer, sondern auch im Winter. Ein ausgeprägter Tagesgang der CH4-Emissionen wurde nur für den Gastransport durch die Schilfpflanzen im Sommer festgestellt. Sowohl die stabilen Kohlenstoffisotopenverhältnisse der Ebullitionsgase von März bis Juli 2021als auch die saisonalen Quellsignaturen der Keeling-Plots zeigten, dass am Neusiedler See ganzjährig die acetoklastische Methanogenese der dominante methanogene Stoffwechselweg im Sediment ist. Insgesamt liefert diese Dissertation Einblicke in das Zusammenspiel verschiedener Dynamiken in Schilf-dominierten Feuchtgebieten in Bezug auf Landbedeckung, Treibhausgasflüsse, Emissionspfade, mikrobielle Diversität und Sedimenteigenschaften — sowohl innerhalb eines Jahres als auch zwischen verschiedenen Jahren — insbesondere unter dem Einfluss von Trockenheit.
Abstract
(Englisch)
Wetlands are often spatially dynamic ecosystems and provide various ecosystem services, such as biodiversity, purification, livelihood, and storage of carbon and water. Wetlands dominated by the reed plant (Phragmites australis) can store carbon through photosynthetic assimilation of carbon dioxide (CO2) and sequestration of organic matter in sediments. For this reason, they are often known as strong CO2 sinks. However, these wetlands naturally release methane (CH4) produced in the waterlogged sediments. In the context of climate change, more frequent or severe droughts increase the likelihood of periods in which wetland ecosystems act as CO2 sources. Little is known about the contribution of central European reed wetlands as a source of greenhouse gases (GHG) due to drought. The main objective of this thesis is to enhance our comprehension of the influence of drought on the spatial and temporal dynamics of reed wetlands, particularly with regards to GHG fluxes, emission pathways, sediment microbial communities, and land cover. The studies were conducted in a wetland of international importance, the reed belt of Lake Neusiedl on the Austrian-Hungarian border, which is characterized by exceptional properties such as subsalinity and high sulfate content. In order to deepen and improve our understanding of subsaline reed ecosystems, their processes, and their interactions, a combination of methodologies was applied. These included techniques for measuring GHGs, such as eddy covariance, chambers, and bubble traps; stable carbon isotope measurements; laboratory analyses of water and sediment properties; remote sensing using drone and satellite imagery; and image and data analyses, including deep learning and vegetation indices. Since mid-2015, Lake Neusiedl’s catchment area has experienced drought, with mostly negative SPEI (standardized precipitation evapotranspiration index) values, leading to a decrease in water levels. Under these conditions, the GHG exchange between this reed ecosystem and the atmosphere was continuously measured with an eddy covariance tower over 4.5 years (mid-2018 to 2022). From 2019 to 2022, annual CH4 emissions decreased by 76% from 9.2 to 2.2 g CH4-C m-2 a-1. Initially, annual CO2 emissions decreased by 85% from 181 to 27 g CO2-C m-2 a-1 due to reed growth from 2019 to 2021. However, by 2022, they had risen to twice the 2019 level (391 g CO2-C m-2 a-1). This was the result of a sharp drop in sediment water content (SWC) from about 65 to 32 Vol-% in mid-2022, suggesting that SWC is a good proxy of the magnitude of CO2 emissions from wetlands. In general, this study challenges the assumption that all reed wetlands are CO2 sinks. Another study in this thesis explored the intra-annual dynamics of the land cover mosaic of reed, water, and sediment patches within the reed ecosystem and its phenology within one year. The results showed that within the reed ecosystem in 2021, the reed area increased by 10%, the open sediment areas increased by 27%, and water areas decreased by 23% from May to November. Nevertheless, the reed area remained dominant throughout, accounting for 61–71%. At lakes, and especially shallow lakes like Lake Neusiedl, it is often assumed that ebullition is the dominant CH4 emission pathway, although ebullition is difficult to study and is therefore often not measured. Thus, one study in this thesis investigated whether ebullition or diffusion is the more important CH4 emission pathway in three subsystems of the Lake Neusiedl ecosystem: the Reed belt, the Channel, and the Open water/Lake. The results show that at the Reed belt ebullition accounted for 48% of the sum of the two CH4 emission pathways on a cumulative basis, while at the other two subsystems it was responsible for only about 1%. The Reed belt with 17 ± 28 mg CH4 m-2 d-1 showed 340 times higher mean CH4 ebullition rates than the other two subsystems. In this reed wetland, all assessable emission pathways of CH4 from the ecosystem to the atmosphere were investigated individually with chamber and ebullition trap measurements, in particular the contribution and isotopic signature of ebullition, but also the contribution of the plant-mediated transport and diffusion pathways at the water–air and sediment–air interfaces in each season for one year. In addition, the research aimed to investigate whether the reed ecosystem exhibits a diel cycle (24 h) of CH4 emissions depending on the season and emission pathway. To improve system understanding of subsaline reed wetlands, the physicochemical properties and the microbial communities such as methanogens, methanotrophs, and sulfate reducers in the sediments were investigated and how they changed due to desiccation in one year. The plant-mediated transport showed the highest median CH4 emission rates in all seasons, not only in summer but also in winter. A pronounced diel pattern of the CH4 was found only for the plant-mediated transport in summer. Both approaches, the stable carbon isotope values of the ebullition gases from March to July 2021 and the seasonal source signatures of the Keeling plots, demonstrated that at Lake Neusiedl the dominant methanogenic pathway in the sediment is acetoclastic methanogenesis yearlong. Overall, this thesis provides insights into the interplay of various dynamics in reed wetlands in relation to land cover, GHG fluxes, emission pathways, microbial diversity, and sediment properties, both within and between years, especially under the influence of drought.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Schilf Neusiedler See Schilfgürtel subsalin Feuchtgebiet Treibhausgasemissionen Methan Eddy-Kovarianz Haubenmessungen Trockenheit
Schlagwörter
(Englisch)
Phragmites australis CH4 emission plant-mediated ebullition stable carbon isotope wetland eddy covariance chamber soil methanogenesis Lake Neusiedl greenhouse gas emission reed LTER UAV RGB green chromatic coordinates drought land cover classification deep learning shallow lake subsaline bubble flux reed
Autor*innen
Pamela Alessandra Baur 
Haupttitel (Englisch)
Drought-influenced greenhouse gas fluxes and their emission pathways of the subsaline reed ecosystem of Lake Neusiedl
Paralleltitel (Deutsch)
Durch Trockenheit beeinflusste Treibhausgasflüsse und ihre Emissionswege im subsalinen Schilfökosystem des Neusiedler Sees
Publikationsjahr
2025
Umfangsangabe
ix, 237 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Mana Gharun ,
Claire Treat
AC Nummer
AC17612872
Utheses ID
76641
Studienkennzahl
UA | 796 | 605 | 299 |